Ny elektronmikroskopmetode detekterer magnetisme i atomskala

Forskere kan nu detektere magnetisk adfærd på atomniveau med en ny elektronmikroskopi-teknik udviklet af et hold fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og Uppsala Universitet, Sverige. Forskerne tog en kontraintuitiv tilgang ved at drage fordel af optiske forvrængninger, som de typisk forsøger at eliminere.

"Det er en ny tilgang til at måle magnetisme på atomær skala, " ORNLs Juan Carlos Idrobo sagde. "Vi vil være i stand til at studere materialer på en ny måde. Harddiske, for eksempel, er lavet af magnetiske domæner, og de magnetiske domæner er omkring 10 nanometer fra hinanden." En nanometer er en milliardtedel af en meter, og forskerne planlægger at forfine deres teknik til at indsamle magnetiske signaler fra individuelle atomer, der er ti gange mindre end en nanometer.

"Hvis vi kan forstå interaktionen mellem disse domæner med atomopløsning, måske i fremtiden vil vi være i stand til at reducere størrelsen af ​​magnetiske harddiske, " sagde Idrobo. "Vi ved det ikke uden at se på det."

Forskere har traditionelt brugt scanningstransmissionselektronmikroskoper til at bestemme, hvor atomer er placeret i materialer. Denne nye teknik gør det muligt for forskere at indsamle mere information om, hvordan atomerne opfører sig.

"Magnetisme har sin oprindelse på atomskalaen, men de teknikker, vi bruger til at måle det, har normalt rumlige opløsninger, der er meget større end et atom, " sagde Idrobo. "Med et elektronmikroskop, du kan gøre elektronsonden så lille som muligt, og hvis du ved, hvordan man styrer sonden, du kan hente en magnetisk signatur."

ORNL-Uppsala-teamet udviklede teknikken ved at genoverveje en hjørnesten i elektronmikroskopi kendt som aberrationskorrektion. Forskere har brugt årtier på at fjerne forskellige former for aberrationer, som er forvrængninger, der opstår i den elektron-optiske linse og slører de resulterende billeder.

I stedet for helt at eliminere aberrationerne i elektronmikroskopet, forskerne tilføjede med vilje en form for aberration, kaldet firedobbelt astigmatisme, at indsamle magnetiske signaler på atomniveau fra et lanthan-mangan-arsenoxidmateriale. Den eksperimentelle undersøgelse validerer holdets teoretiske forudsigelser præsenteret i en 2014 Fysiske anmeldelsesbreve undersøgelse.

"Dette er første gang nogen har brugt aberrationer til at detektere magnetisk orden i materialer i elektronmikroskopi, " sagde Idrobo. "Aberrationskorrektion giver dig mulighed for at gøre elektronsonden lille nok til at udføre målingen, men samtidig var vi nødt til at indsætte en specifik aberration, hvilket er det modsatte af, hvad folk normalt gør."

Idrobo tilføjer, at nye elektronmikroskopiteknikker kan supplere eksisterende metoder, såsom røntgenspektroskopi og neutronspredning, som er guldstandarden for at studere magnetisme, men er begrænset i deres rumlige opløsning.

Undersøgelsen er publiceret som "Detektering af magnetisk bestilling med elektronsonder i atomstørrelse, " i journalen af Avanceret strukturel og kemisk billeddannelse .